Aangezien de Quantum computerrace is aan het opwarmen, besteden veel bedrijven in verschillende landen miljarden aan verschillende qubit-technologieën om de technologie te stabiliseren en te commercialiseren. Hoewel het nog te vroeg is om een winnaar aan te kondigen quantum computergebruik, van Google quantum computerlab heeft misschien iets heel opmerkelijks gecreëerd.
In de nieuwste ontwikkeling hebben onderzoekers van Google, in samenwerking met natuurkundigen van Princeton, Stanford en andere universiteiten, 's werelds eerste 'Tijdkristal' gemaakt in een quantum computer.
Tijdkristallen ontwikkeld door Google zouden wel eens de grootste wetenschappelijke prestatie kunnen zijn voor fundamentele natuurkunde en quantum natuurkunde. Het idee van 'tijdkristallen', bedacht door de Nobelprijswinnende natuurkundige Frank Wilczek in 2012, gaat nu van theorie naar realiteit.
In een onlangs gepubliceerde studie, "Observation of Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor', beweren de onderzoekers dat Time Crystal een nieuwe fase van materie is die in strijd is met Newtons wet van de thermodynamica.
Wat is tijdkristal?
Nou, een tijdkristal klinkt als een gecompliceerd onderdeel van een tijdmachine, maar dat is het niet. Dus, wat zijn tijdkristallen precies? Volgens onderzoekers is een tijdkristal een nieuwe fase van materie die afwisselt tussen twee vormen en daarbij nooit energie verliest.
Om het simpel te houden: regelmatige kristallen zijn een rangschikking van moleculen of atomen die een regelmatig herhaald patroon in de ruimte vormen. Een tijdkristal daarentegen is een rangschikking van moleculen of atomen die een regelmatig, herhaald patroon vormen, maar dan in 'tijd'. Dit betekent dat ze een tijdje in het ene patroon zitten, dan naar een ander patroon gaan en dit heen en weer herhalen.
Uitleg over Time Crystal in lekentermen Silicon Canals, Loïc Henriet, hoofd Applicaties en Quantum Softwaree, Pasqal, legt uit: “Van sommige fasen van materie is bekend dat ze spontaan symmetrieën doorbreken. Een kristal doorbreekt ruimtelijke translatie: atomen vind je alleen op welbepaalde posities. Magneten breken de discrete spinsymmetrie: de magnetisatie wijst in een welbepaalde richting. Er was echter geen bekend fysisch systeem bekend dat een van de eenvoudigste symmetrieën verbrak: vertaling in de tijd. Het DTC-resultaat van Google is het meest overtuigende experimentele bewijs van het bestaan van niet-evenwichtstoestanden van materie die de symmetrie van tijdvertaling doorbreken."
Verder kunnen tijdkristallen energieprocessen zonder entropie weerstaan en eindeloos transformeren binnen een geïsoleerd systeem zonder brandstof of energie te verbruiken.
Hoe hebben ze het gedaan?
"Ons werk maakt gebruik van een protocol voor tijdomkering dat onderscheid maakt tussen externe decoherentie en intrinsieke thermalisatie, en maakt gebruik van quantum typisch om de exponentiële kosten van het dicht bemonsteren van het eigenspectrum te omzeilen, "zegt onderzoekers. “Bovendien lokaliseren we de faseovergang uit de DTC met experimentele analyse van eindige grootte. Deze resultaten zorgen voor een schaalbare benadering om niet-evenwichtsfasen van materie op stroom te bestuderen quantum verwerkers.”
Voor de demonstratie gebruikten de onderzoekers een chip met 20 qubits om als tijdkristal te dienen. Het is vermeldenswaard dat onderzoekers de experimenten uitvoerden op het Sycamore-apparaat van Google, dat een taak in 200 seconden oploste waar een conventionele computer 10,000 jaar over zou doen.
Volgens de onderzoekers biedt hun experiment voorlopig bewijs dat hun systeem tijdkristallen zou kunnen creëren. Deze ontdekking kan ingrijpende gevolgen hebben in de wereld van quantum berekenen als het bewezen is.
Henriet deelt: “Dit resultaat is zeer interessant vanuit een fundamenteel natuurkundig standpunt, als een identificatie van een roman quantum fase van de materie. Op zich heeft het geen directe invloed op ons dagelijks leven, maar het illustreert de rijkdom van menig lichaam quantum natuurkunde uit evenwicht. Dat bewijst het ook quantum processors zijn nu krachtig genoeg om nieuwe interessante regimes voor te ontdekken quantum materie met verstorende eigenschappen.”
"Het gevolg is verbazingwekkend: je ontwijkt de tweede wet van de thermodynamica," zegt Roderich Moessner, directeur van het Max Planck Instituut voor de fysica van complexe systemen in Dresden, Duitsland, en co-auteur van de Google-paper.
"Dit is gewoon deze compleet nieuwe en opwindende ruimte waarin we nu werken," zegt Vedika Khemani, een fysicus van de gecondenseerde materie nu aan de Stanford, die de nieuwe fase mede-ontdekte, terwijl ze een afgestudeerde student was en co-auteur van het nieuwe artikel met de Google team.
Tijdkristallen in 2012
In 2012 kwam Frank Wilczek op het idee van tijdkristallen toen hij les gaf over gewone (ruimtelijke) kristallen.
"Als je aan kristallen in de ruimte denkt, is het heel natuurlijk om ook na te denken over de classificatie van kristallijn gedrag in de tijd," vertelde hij Quanta.
Google quantum computer heeft zeker bereikt wat velen voor onmogelijk hielden. Dat gezegd hebbende, het experiment bevindt zich in de voorbereidende fase en vereist veel werk. Bovendien wacht de pre-printversie van het onderzoek op validatie door de gemeenschap van wetenschappers en moet deze ook door vakgenoten worden beoordeeld.
“Er zijn goede redenen om aan te nemen dat geen van die experimenten volledig is geslaagd, en a quantum een computer zoals [Google's] zou in het bijzonder goed geplaatst zijn om veel beter te presteren dan die eerdere experimenten, "vertelde natuurkundige John Chalker van de Universiteit van Oxford, die niet bij het onderzoek betrokken was, aan Quanta.